二氧化硅包覆对纳米多孔金增强荧光特性的调制
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摘要：为了减弱金属基底对表面增强荧光的淬灭效应，设计了增强效果更好的荧光增强基底。采用化学生长二氧化硅的方法对纳米多孔金（NPG）表面进行修饰，避免荧光分子和NPG表面直接接触引起的淬灭效应，在siO2@NPG表面分别组装上罗丹明6G（R6G）和辐射中心波长为700nm的量子点（QD 700）。通过探测分析荧光光谱，可以得出：二氧化硅包覆的基底可以使表面增强荧光得到显著的增强，并且二氧化硅厚度对荧光强度有调节作用;在基底增强量子点荧光信号的同时，量子点和NPG之间还出现非辐射的能量转移现象，二氧化硅的厚度对能量转移同样有调节作用，厚度约为5nm时能量转移现象最显著。本实验为基于荧光能量转移的检测以及设计更好的荧光增强基底提供了参考。
关键词：纳米多孔金（NPG）;siO2@NPG;量子点;表面增强效应;荧光共振能量转移
中图分类号：0484 文献标志码：A
引言
纳米多孔金（nanoporous gold，NPG）具有独特的纳米孔道结构及大的比表面积，在物理、化学、生物及光学等领域表现出极大的应用潜力，已成为纳米科学研究的热点之一。NPG制作方法简单，可以通过调节腐蚀条件灵活地改变其微观纳米结构，随之其局域表面等离子体共振特性也发生变化，因此NPG被用于表面增强拉曼和表面增强荧光等灵敏检测方面。当荧光分子与NPG表面直接接触时，由于内部非辐射能量转移的影响，纳米金属结构在增强荧光辐射的同时伴有淬灭效应。通过在NPG与荧光分子之间加入一层绝缘或半导体介质层，可在抑制淬灭效应的同时，对吸附其表面的生色团的荧光信号起到放大作用。现有文献中常用的方法是在NPG表面组装有机配体或包覆绝缘聚合物，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，本文采用超薄的二氧化硅層作为绝缘隔层，有效减弱了荧光分子和NPG直接接触引起的荧光淬灭，同时二氧化硅也大大增加了样品对生物分子的吸附作用。实验中利用硅酸四乙酯（TEOS）水解过程，在多孔金表面包覆二氧化硅，并通过控制反应时间调控二氧化硅厚度，进而改变荧光分子与NPG表面之间的间距。通过在NPG和SiO2@NPG薄膜上组装上罗丹明6G（R6G）染料分子和辐射中心波长为700nm±5nm的量子点（QD700），研究了二氧化硅包覆对多孔金荧光增强特性的影响。
1实验过程
1.1纳米多孔金的制备
NPG的制备采用脱合金法。将厚度约为100nm的金银合金Ag65Au35（原子百分比）固定在聚合物基底上，置于干燥箱中80℃煺火4 h。煺火完成后将合金薄膜浸入硝酸溶液（体积分数约为68%）中腐蚀1h，合金中的银原子与酸发生反应融入硝酸，剩余金原子自主构造出尺寸分布均匀、双联通的纳米孔状结构，多孔金的孔径大小可以通过腐蚀时间、环境温度、硝酸体积分数等因素来控制。多孔金薄膜从硝酸中取出后用超纯水清洗多遍，并浸泡若干小时以除去残留的硝酸，取出晾干后置于干燥柜中待下一步使用。
1.2多孔金薄膜上二氧化硅包覆
采用化学生长的方法在NPG表面包覆二氧化硅。将制作好的NPG薄膜先浸入浓度为0.1 mol/L的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶液中，浸泡1 h后，用超纯水清洗几遍以除去表面残留的CTAB溶液。将40mL浓度为6mmol/L的CTAB溶液加入到100 mL的烧杯中，再加入20 mL乙醇（99.7%），用磁力搅拌搅匀，同时使混合液温度保持在35℃左右。随后向溶液中滴加25ul氨水（25%），将制作好的NPG薄膜插入混合溶液中，使其固定悬浮在溶液中并且完全浸入液面下。搅拌5 min左右，使溶液均匀并且温度恒定。随后向混合液中逐滴添加50ul正硅酸乙酯（TEOS）溶液，分5次添加（10ul/次），滴加过程中大力搅拌溶液。溶液添加完成后降低搅拌速度，温和搅拌以保证混合液均匀，同时采用水浴加热使溶液温度稳定在35℃左右。反应过程中分别在5 h、10 h、15 h、20 h、25 h时各取出一片薄膜，随着反应时间的延长，TEOS在弱碱性环境下缓慢水解生成二氧化硅，从而使NPG表面的二氧化硅厚度逐渐增加。样品从反应液中取出后，先用乙醇溶液浸泡若干分钟，除去多孔金孔道及二氧化硅表面吸附的多余的CTAB，然后用去离子水清洗几遍后晾干并放入干燥柜保持干燥。
1.3荧光光谱检测
采用静电吸附的方式将荧光分子组装到SiO2@NPG表面。首先探测没有组装荧光分子的NPG和SiO2@NPG本身的荧光光谱作为实验参照，然后将制备好的NPG及SiO2@NPG样品置于R6G（10-7mol/L）溶液中，浸泡2h，将R6G分子组装在样品上，清洗几遍晾干后分别检测相应的荧光信号。将制得的NPG及SiO2@NPG分别浸泡在QD700水溶液中，溶液浓度为50 nmol/L，浸泡12 h，使量子点充分组装在样品表面，取出后用超纯水清洗几遍，用吸水纸将样品表面的水除去，保持样品表面湿润的条件下检测荧光光谱。检测时，采用功率约为1 mW、中心波长为532nm的激光作为激发光源，用荧光光谱仪进行探测。
2实验结果与讨论
将制作完成的NPG和SiO2@NPG样品分别用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行形貌表征。图1（a）为金银合金薄膜去合金腐蚀1 h后得到的NPG样品的扫描电镜（SEM）图，图中显示了NPG独特的双连续的纳米孔道结构，经陕速傅里叶变换后得到该多孔金的孔径约为30nm。图1（1））为Sio2包覆20 h后得到的Sio2@NPG样品的TEM图，此时Sio2厚度约为5nm，且在多孔金表面以及孔道内壁的分布相对较均匀。
利用能谱仪（EDS）探测不同反应时间下SiO2@NPG样品中硅元素和金元素相对含量的变化情况，如图2（a）所示，随着反应时间的延长硅元素与金元素的质量百分比的比值逐渐增加，说明随着反应时间的延长多孔金表面包覆的二氧化硅厚度逐渐增加。随后利用荧光光谱仪分别检测NPG和不同厚度二氧化硅壳层的SiO2@NPG样品本身的激光激发光谱信号，如图2（b）所示，二氧化硅的包覆对多孔金本身的激发光谱信号有一定的影响。 为了研究包覆二氧化硅后对NPG光学特性的调制，分别在NPG和SiO2@NPG表面组装荧光分子R6G（10-7mol/L），所得荧光光谱如图3（a）所示。图3（1））为峰值在552nm处的荧光信号的绝对强度随二氧化硅镀膜时间的变化趋势，可以看出二氧化硅的包覆使R6G的荧光信号得到明显的增强，超薄的二氧化硅作为绝缘隔层对NPG表面增强荧光有显著的增强作用。在0～1 5 h内，随着二氧化硅厚度的增加荧光信号也逐渐增加，在15 h处荧光信号达到最强，与没有镀二氧化硅的NPG相比增加了约13倍，15h以后由于二氧化硅厚度过大反而使表面增强荧光减弱，二氧化硅厚度的改变对NPG增强荧光有一定的调制作用。
图4所示为组装上QD700的QD@NPG及QD@SiO2@NPG系统的荧光光谱信号。如图4（a）所示，表面没有二氧化硅的NPG（图中Oh对应的曲线）对量子点的荧光信号几乎没有增强作用，NPG本身的激发光谱信号强度也非常弱。包覆SiO2壳层后量子点的荧光信号（700nm处）得到显著的增强，同时NPG本身的激发光谱信号（570 nm）强度与没有组装量子点的相比也呈现大幅增强。量子点荧光增强主要源于NPG基底局域表面等离子体共振增强作用引起的表面增强荧光效应，而NPG的激发光谱信号增强主要是，处于激发态的量子点通过非辐射能量转移的形式将部分能量转移给NPG，增加了NPG表面等离子体激元，从而使本身的激发光谱增强。
为了进一步研究二氧化硅厚度对系统能量转移的影响，利用Origin软件对荧光光谱曲线分别进行高斯曲线分峰拟合，计算出570nm和700 nm两个峰位处的光谱信号的绝对强度，同时计算出图2（b）中基底（NPG和SiO2@NPG）的激发光谱信号强度，计算结果如表1所示。表1中570 nln和700 n/n两峰位处分别对应QD@SiO2@NPG系统中NPG和量子点光谱信号的绝对强度，565nm表示没有组装量子点时SiO2@NPG的激发光谱强度。计算结果对应的折线图如图4（b）所示，对比570nm和565nm两条折线可以得出，表面组装量子点后NPG的激发光谱有明显的增强，并且随SiO2厚度的增加呈现出先增加后减弱的趋势，在20 h（SiO2约5nm）时达到最强，此时相应的量子点荧光强度（700nm对应折线）却有所减弱，说明此时能量转移现象最强。SiO2厚度继续增加（大于5 nm），NPG的激发光谱开始逐渐减弱，相应的量子点的荧光信号又出现明显的增强，这是由于二氧化硅的厚度太大阻碍了供体和受体之间的能量转移，能量转移减弱使激发态的量子点辐射出的荧光信号强度大大增加。实验结果得出NPG表面包覆二氧化硅不仅可以增强量子点荧光信号的强度，而且二氧化硅的厚度对QD@SiO2@NPG系统内的能量转移现象也有调节作用。
3结论
二氧化硅包覆能有效提高NPG的熒光增强特性，提高NPG对荧光物质的检测灵敏度，且绝缘层的添加能在一定程度上促进量子点与金属之间的能量转移，为基于荧光能量转移的检测及设计更好的荧光增强基底提供了参考。
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